基于ANSYS的烟囱液压平台系统结构有限元分析

2015-04-24胡婷梁庆纯闫玉萍

综合智慧能源 2015年12期

胡婷，梁庆纯，闫玉萍

(1.郑州科润机电工程有限公司，郑州 450015;2.东北电业管理局烟塔工程公司，辽宁锦州 121000;3.郑州铁路职业技术学院，郑州 450015)

1 液压施工平台主结构概述

液压施工平台由中心鼓圈、辐射梁、拉索、环梁、外吊架、井架及抱杆等组成。辐射梁顶面用于施工材料、设备的临时堆放及人员的水平输送;平台顶面设置一根抱杆，通过卷扬机形成简易的垂直运输工具;烟囱筒壁混凝土内均匀埋设爬杆，由穿心式液压千斤顶通过爬杆向上爬升，从而带动辐射梁上升，实现液压平台的提升。液压施工平台结构如图1所示。

由于液压施工平台结构复杂、超静定次数高、所受荷载种类繁多，手算过程比较繁琐并且会因过度简化而导致计算结果偏差较大，因此，本文采用有限元软件对平台主结构进行计算，根据其计算结果对施工平台进行优化。

2 液压施工平台主结构有限元分析

2.1 计算模型

此次模拟原点位于平台中心，z轴正向为竖直向上，x轴和y轴在平台面内分别指向直径方向。以各型钢的形心轴线建立模型，系统包括中心鼓圈上环附属杆、中心鼓圈上环支撑杆、中心鼓圈上环、中心鼓圈下环、中心鼓圈立杆、辐射梁、拉索、环梁、井架和爬升杆。模型拉索采用LINK10单元，其他杆件均采用 BEAM188单元［1］。

由于爬升杆埋在混凝土里，因此此次模拟约束爬升杆6个自由度，即固定约束。整体模型如图2、图3所示。

2.2 计算工况

图1 液压施工平台结构

平台的强度按最不利工况计算:平台处于10 m以下标高，筒身外半径为18500mm，混凝土壁厚650 mm，抱杆工作，可变荷载作用在辐射梁上。

图2 整体模型剖面图

图3 整体模型约束图

平台的刚度按最不利工况计算:抱杆工作，可变荷载作用在平台中心。

2.3 计算荷载

永久荷载分项系数取1.2，可变荷载分项系数取1.4，基本风压按0.6 kN/m2考虑。按规范［2］要求，验算挠度应采用荷载标准值，计算承载力应采用荷载设计值。平台荷载分类见表1。

表1 平台荷载分类

2.4 原结构计算成果分析

施工平台结构强度和刚度计算结果如图4、图5所示(以下应力单位均为MPa，位移单位均为mm)。

图4 原结构整体复合应力

图5 原结构整体竖向位移

根据 GB 50017—2003《钢结构设计规范》［2］，由于钢材采用Q235钢且厚度小于16 mm，因此钢材强度设计值［σ］=215.0 MPa。

此平台为特殊结构形式，竖向刚度无相应标准可查，用户根据使用经验及施工要求［3-6］确定结构挠度容许值［f］=l/250。平台整体跨度l1=35280 mm，挠度许用值［f1］=l1/250=141.1mm;鼓筒上平面最长平杆长度l2=11 710 mm，挠度许用值为［f2］ =l2/250=46.8 mm。

根据原结构应力结果可知:中心鼓圈上平面平杆、中心鼓圈上环等应力远远大于许用应力215.0 MPa。由于中心鼓圈直径较大，上平面平杆支撑力不够，导致其局部强度严重不足，不能满足平台的受力要求，考虑加大型钢型号;同时，由于环梁应力较小，考虑减小环梁型钢型号。由原结构位移结果可知:最大竖向位移出现在平台中心，为241.0 mm＞［f1］=141.1mm，挠度不能满足要求。主要是因为平台跨度大，辐射梁提供的支撑刚度有限，平台整体下挠较多，因此考虑加大辐射梁型钢型号。

2.5 优化后结构计算成果分析

结构进行优化后，强度和刚度计算结果如图6～图13所示。

图6 优化后整体复合应力

图7 优化后中心鼓圈上弦复合应力

图8 优化后辐射梁复合应力

由优化后的平台结构应力分析结果可知:中心鼓圈上弦最大应力为219.7 MPa＞［σ］=215.0 MPa，超出许用值2%(如图7所示)。分析其原因为鼓筒上平面平杆与辐射梁相交处拉开距离，此时为抱杆工作，施工可变荷载作用在辐射梁上，施工过程中应注意监测。辐射梁最大应力为210.5 MPa，环梁最大应力为106.3 MPa，中心鼓筒下弦最大应力为195.4 MPa，以上应力均小于许用值，满足设计要求(如图8～图10所示)。